Nous fournissons un protocole pour in vitro tests d’auto-organisation de l’esprit et le mien sur une double couche lipidique pris en charge dans une chambre ouverte. En outre, nous décrivons comment placer le dosage microcompartments PDMS revêtu de lipides à reproduire in vivo des conditions de confinement de la réaction.
Beaucoup d’aspects de l’organisation spatio-temporelle fondamentale des cellules est régies par des systèmes de réaction-diffusion. In vitro la reconstitution de ces systèmes permet pour des études détaillées de leurs mécanismes sous-jacents qui ne serait pas réalisables in vivo. Ici, nous fournissons un protocole pour la reconstitution in vitro du système MinCDE d’ Escherichia coli, qui positionne le septum de la division cellulaire dans le milieu cellulaire. Le dosage est conçu pour fournir uniquement les composants nécessaires à l’auto-organisation, à savoir une membrane, l’esprit de deux protéines et MinE et de l’énergie sous forme d’ATP. Nous fabriquons donc une chambre de réaction ouverte sur une lamelle couvre-objet, sur lequel se forme une bicouche lipidique pris en charge. La conception ouverte de la chambre permet une préparation optimale de la bicouche lipidique et contrôlée manipulation de la teneur en vrac. Les deux protéines, esprit et MinE, ainsi que ATP, est ensuite ajouté dans le volume en vrac au-dessus de la membrane. L’imagerie est possible par microscopies optiques beaucoup, comme supports de conception confocale, grand champ et microscope TIRF tant. Dans une variante du protocole, la double couche lipidique est formée sur un support à motifs, sur les microstructures PDMS en forme de cellule, au lieu de verre. Abaissement de la solution en vrac sur le bord de ces compartiments enferme la réaction dans un compartiment plus petit et prévoit des limites qui permettent imitant de in vivo le comportement oscillatoire. Pris ensemble, les auteurs décrivent des protocoles afin de reconstituer le système MinCDE avec et sans confinement spatial, permettant aux chercheurs de contrôler avec précision tous les aspects qui influencent la formation de modèles, tels que les plages de concentration et l’ajout d’autres facteurs ou de protéines et à augmenter systématiquement la complexité du système dans une configuration expérimentale relativement simple.
Les patrons spatio-temporels sont essentielles dans la nature, régulation des tâches complexes tant au niveau cellulaire et multicellulaires, de morphogenèse réglementé la division cellulaire1,2. Les systèmes de réaction-diffusion jouent un rôle important dans l’établissement de ces modèles, mais ne sont pas encore bien compris. Un excellent exemple d’un système de réaction-diffusion et le meilleur système biologique caractérisé jusqu’à présent est l’Escherichia coli MinCDE système3,4,5,6,7. Le système MinCDE oscille du pôle de la cellule au pôle de la cellule chez e. coli pour déterminer le milieu de la cellule comme le site de la future division. Ce système repose sur l’esprit de l’ATPase, l’ATPase activation protéine MinE et la membrane comme une réaction spatiale matrice8. MinC ne fait pas partie du mécanisme de formation patron, mais est l’agent fonctionnel réel : un inhibiteur de la divisome principale protéine FtsZ5,6. MinC se lie à l’esprit et donc suit les oscillations, ce qui entraîne un gradient de concentration de protéine moyenne temporelle maximale aux pôles de la cellule et un minimum au milieu cellulaire, permettant seulement FtsZ polymériser à midcell9,10 . Le système de MinCDE fait partie de la grande famille des Walker A ATPases qui sont essentiels à l’organisation spatio-temporelle dans2de bactéries, de positionnement et de transport de protéines complexes plasmides de11 et12 et de régulation cellulaire Division13 et chromosome ségrégation14. Par conséquent, le système de réaction-diffusion MinCDE non seulement représente un système de réaction-diffusion archétypal, mais a aussi attiré l’attention en raison de sa pertinence pour l’organisation spatio-temporelle dans les bactéries.
Des études fonctionnelles détaillées du MinCDE system in vivo sont compliquées, comme la manipulation de la suppression de protéines et de gènes généralement entraîner des défauts de la division cellulaire. En outre, modifier la composition de la membrane ou les propriétés du cytosol in vivo est très difficile de15,16. Les changements au système et facteurs d’influence sont difficiles à interpréter dans l’environnement complexe de la cellule, plus encore si elle est perturbée dans une fonction essentielle en tant que la division cellulaire. Nous et autres avons donc tournée vers une démarche de reconstitution in vitro , de réduire le système à ses composantes de base : esprit, MinE, ATP comme source d’énergie et la prise en charge lipidique comme une réaction matrice6,17, 18. cette approche bottom-up permet de sonder le mécanisme de l’auto-organisation en détail sans la complexité d’une cellule vivante. La forme de protéines voyageant surface ondes6 et autres types de modèles17,19 dans ces conditions, quoique avec une longueur d’onde, qui est généralement une magnitude supérieure à in vivo. L’utilisation d’une chambre ouverte facilite un contrôle précis sur tous les aspects qui influent sur la formation du patron : les concentrations de protéine6, protéines propriétés20, membrane composition10, composition du tampon et concentration d’ATP 6, ainsi que l’ajout d’autres facteurs tels que le surpeuplement des agents21 et autres protéines de divisome22. En comparaison, la reconstitution in vitro du système MinCDE dans une cellule d’écoulement18,19,23 peut être utilisée pour sonder l’influence du débit17,23, protéine limiter les conditions19, membrane composition19 et entièrement en 3D accouchement18 sur les profils protéiques, mais restitue un contrôle exact de la concentration de protéine/composant et ajout de composant séquentielle beaucoup plus compliqué.
Utilisant cette chambre ouverte, nous inspire également le soutien des bicouches lipidiques planes par lequel on peut sonder comment géométriques limites influence modèle formation21, un phénomène qui a récemment été étudiée in vivo à l’aide de bactéries moulé en microstructures7. Nous avons également utilisé ce dosage pour étudier comment définis des mutations dans le mien affect formation du patron du système20. Par ailleurs, le même format de base de test a été employé pour étudier comment formation du patron peut être contrôlée par la lumière, introduction d’un peptide de MinE azobenzène-réticulé dans le dosage et d’imagerie avec TIRF microscopie24.
Nous avons constaté que, afin de reproduire le modèle MinDE formation observée in vivo dans un confinement de système, in vitro a été la clé. Utilisation de microcompartments en forme de bâtonnet, avec des dimensions ajustées à la longueur d’onde plus grande de MinDE in vitro (10 x 30 µm), doublé d’une bicouche lipidique pris en charge a permis la reconstitution des oscillations de pôle-à-l’autre MinDE et formation dégradé des protéines 10,,25. Dans cet essai, la prise en charge des bilayers de lipide sont déposés sur un substrat PDMS à motifs qui contient plusieurs centaines de répliques de microcompartments en forme de bâtonnet qui restent ouvertes sur le dessus. Par la présente, la réaction peut être mises en place dans une chambre ouverte, et par la suite la mémoire tampon est abaissé jusqu’au bord de la microcompartments, limitant ainsi la réaction d’un petit volume. Même si ces compartiments disposent d’une interface d’air-tampon sur un côté et par conséquent ne représentent pas un accouchement en 3D par membrane, la dynamique des protéines imité en vivo oscillations10,,25. Par rapport à l’accouchement entièrement en 3D, qui montre très proche des résultats18, l’essai de microstructures ouverts est relativement simple et facile à gérer et peuvent également être effectuées par des laboratoires qui ne sont pas dotés d’équipements spécialisés de la microfluidique et installations de salle blanche.
Nous présentons ici un protocole expérimental pour la reconstitution de MinCDE formation du patron sur prise en charge lipidique bicouches in vitro à l’aide d’une chambre ouverte qui permet le contrôle de tous les composants et un accès facile par microscopie optique et, avec la mineure modifications, est aussi adaptable pour des techniques de sonde de surface26. À côté des bicouches lipidiques planes de prises en charge, nous montrons aussi comment le confinement de la protéine peut être obtenue à l’aide des bicouches lipidiques pris en charge à motifs simples sur bâtonnet des microstructures PDMS. Ces tests, bien qu’optimisé pour le système de MinCDE, peuvent aussi être transférées à d’autres systèmes de protéines qui interagissent de façon similaire à la membrane, comme FtsZ27 ou un minime actine cortex28.
Nous avons décrit un protocole pour la reconstitution in vitro de l’auto-organisation MinCDE sur planaire étayée des bicouches lipidiques et en lipides bicouche couvert de structures 3D, en utilisant l’exemple des microstructures PDMS en forme de bâtonnet. Afin d’obtenir des données précieuses de ces essais, les facteurs les plus importants de contrôle sont qualité de protéine et de la membrane.
Pour assurer la qualité des protéines, protéines masse doit être confirmée par SDS-PAGE et spectrométrie de masse. En outre, il convient de vérifier que les protéines sont solubles et non agrégées, en utilisant la filtration sur gel analytique ou diffusion dynamique de la lumière. Filtration sur gel peut être utilisée pour supprimer toute fraction agrégée des protéines. Ajustement du pH attention et la qualité des nucléotides supplémentaires est critique, comme l’addition de nucléotides non ajustées ou partiellement dégradés à la protéine stocks ou self-organizing dosages est suffisant pour éliminer l’activité de la protéine, donc abolir self-organization.
En regard de la qualité des protéines, qualité de la membrane est plus critique, et formation inadéquate de membrane est le plus souvent la cause de l’auto-organisation défectueuse et l’origine des structures de surface artéfactuelles.
Lors de l’exécution du protocole pour la première fois, il est utile de numéroter les bicouches lipidiques pris en charge en incluant des lipides marqués comme Atto-655-DOPE ou DiI à faibles pourcentages molaires (0,05 %). Ainsi les propriétés et la qualité de la membrane peuvent être jugées directement. À l’aide de FRAP, la fluidité de la membrane peut être évaluée. En outre, on peut évaluer directement la qualité du lavage de la SLB, car il y aura soit être trop de vésicules, aucune membrane liquide ou aucune membrane du tout, si il a été lavé. L’approche de la chambre ouverte permet de laver rigoureusement la membrane et donc aussi pour enlever les vésicules qui sont en tiennent à la surface de la SLB. Les facteurs cruciaux pour l’obtention de fluide et homogène de prise en charge lipidique bicouches sont le nettoyage et la hydrophilicité de la surface d’appui et de la bonne taille et l’homogénéité de la SUvs , il peut être utile vérifier la taille SUV et taille à l’aide de la distribution diffusion dynamique de la lumière. Pour les distributions de taille étroite, nous recommandons les vésicules d’extrusion, plutôt que de sonification eux. Autres méthodes de nettoyage lamelles couvre-objet, par exemple, les traitements avec des bases fortes, détergents de base ou à l’aide de lamelles directement après le rinçage avec de l’eau, peuvent donner de bons résultats, selon le mélange d’application et de lipides.
La première moitié du protocole présenté ici, reconstitution de in vitro sur des bicouches lipidiques planes de prises en charge dans des chambres ouvertes, a l’avantage de rendre la surface accessible pour la microscopie optique, tels que TIRF microscopie30, PAF analyse6, particule suivi34, ainsi que des techniques de sonde de surface telles que la microscopie de force atomique26. La grande surface homogène permettant de meilleures statistiques à des concentrations déterminées. En outre, l’approche de chambre ouverte permet de contrôler précisément la concentration de protéines et un ajout rapid et simple des autres composants, donc permettant d’ajuster la concentration de protéines dans une seule chambre20. Le test peut aussi être étendu par l’addition d’autres composants de divisome bactérien FtsZ22,35, ZipA22 ou la protéine chimère FtsZ-YFP-MTS10,35.
Autres groupes ont adopté une approche similaire pour reconstituer le Min système in vitro, mais d’utiliser une cellule de flux au lieu d’une chambre ouverte17,18,19. Flux-cellules ont certains avantages, en particulier lorsqu’un environnement 3D entièrement clos est nécessaire18, l’influence du débit de19,17,23 ou membrane composition23 sur les habitudes de MinCDE objet d’une enquête, ou si les profils protéiques doivent être observées sous protéines limitant les conditions19. Néanmoins, le contrôle local des concentrations moléculaires est plus difficile. Composants de protéines, en particulier l’esprit, est fortement lient à la membrane qu’ils rencontrent d’abord18,19. Dans notre expérience, les protéines présentent souvent non-spécifiques à tubes, de criques, de seringues et d’autres parties de la microfluidique. Par conséquent, des concentrations de protéines locales diffèrent des concentrations d’entrée18 et également varient sur la longueur de la cellule d’écoulement, résultant en une variété de modèles de différentes protéines sur la membrane entre entrée et sortie, tel qu’observé par d’autres19.
La seconde moitié du protocole présenté ici, la reconstitution in vitro en microstructures en forme de bâtonnet, ré-utilisation de l’approche de la chambre ouverte sur un support à motifs couvert par les lipides bicouches permet un simple imitateur de comportement de protéine en vivo même si un contrôle précis sur les concentrations de protéine est perdu en raison de la suppression de la mémoire tampon. Notez que parce que la longueur d’onde de MinDE est environ un ordre de grandeur plus grande in vitro que in vivo les microcompartments en forme de tige sont également environ un ordre de grandeur plus grande (10 x 30 µm) qu’un bâtonnet d’e. coli cellulaire.
Dans l’ensemble, ce protocole permet un contrôle précis de toutes les conditions, y compris la concentration protéique, la composition du tampon et propriétés de la membrane. L’utilisation de supports structurés 3D permet la réaction d’être étudié sous confinement spatial, imitant en vivo comportement sans le besoin d’équipement complexe microfluidique.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions Michael Heymann et Frank Siedler pour la production de silicium gaufrettes, Core Facility MPI-B pour l’assistance dans la purification de la protéine et Simon Kretschmer et Leon Harrington pour commentaires sur le manuscrit.
Reagents | |||
DOPC | Avanti Polar Lipids | 850375 | |
DOPG | Avanti Polar Lipids | 840475 | |
E.coli polar lipid extract | Avanti Polar Lipids | 100600 | |
Adenosine 5′-triphosphate disodium salt trihydrate | Roche | ||
Adenosine 5′-diphosphate monopotassium salt dihydrate | Sigma | A5285-1G | |
Sodium chloride | VWR | 27810.295 | |
Potassium chloride | Roth | 6781.1 | |
Tris-base | Sigma Aldrich | T1503-1kg | |
Hydrochloric acid | Roth | 9277.1 | |
TCEP-HCl | Termo Fisher Scientific | 20491 | |
Ethylene Diamine Tetraacetate | Merck Millipore | 1.08418.1000 | |
Sulfuric Acid 98% | Applichem | 173163.1611 | |
Hydrogen Peroxide 50% | Applichem | 147064.1211 | |
HEPES | Biomol | 05288.1 | |
dimethyl sulfoxide (DMSO) | Merck | 102950 | Uvasol |
Glycerol 86% | Roth | 4043.1 | |
TB medium | |||
Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) | Roth | 2316.x | |
Atto-655-DOPE | Atto Tec | AD 655-161 | |
Ni-NTA agarose | Qiagen | 30210 | |
PDMS base | Dow Corning Corporation | SYLGARD 184 | |
PDMS crosslinker | Dow Corning Corporation | ||
Materials | |||
UV Glue | Norland Products | 6801 | #68 and #63 both work well |
Coverslips #1.5 24×24 mm | Menzel Gläser | ||
Coverslips #1 24×24 mm | Menzel Gläser | used only for PDMS microstructures | |
0.5 ml reaction tube | Eppendorf | 0030123301 | |
culture flask 2L | Corning | e.g. 734-1905 | |
His-Trap HP | GE Healthcare Life Sciences | ||
Gelfiltration column: HiLoad Superdex 75 PG or 200 PG | GE Healthcare Life Sciences | ||
Econo-Pac 10DG desalting column prepacked column | Biorad | 7322010 | |
dialysis device: Slide-A-Lyzer Dialysis Cassettes, 3.5K MWCO, 0.1 – 0.5 mL or 0.5-3 mL | Termo Fisher Scientific | 66333 or 66330 | |
razor blade | |||
Instruments | |||
ultrapure water: Milli-Q Type 1 Ultrapure Water Systems | Merck | ||
automated protein purification system: Äkta Pure | GE Healthcare Life Sciences | ||
bath sonicator | Branson | e.g. Model 1510 | |
ARE-250 mixer | Thinky Corporation | ||
Plasma cleaner Zepto | Diener electronic | use oxygen as process gas | |
positive displacement pipettes | Brand | Transferpettor models with glass tips | |
LSM780 confocal laser scanning microscope | Zeiss | Fitted with Zeiss C-Apochromat 40X/1.20 water-immersion objective | |
Plasmids | |||
pET28a-His-MinD_MinE | Department of Cellular and Molecular Biophysics, MPI of Biochemistry, Prof. Schwille | plasmid encoding His-MinD and non-tagged MinE to improve yield | |
pET28a-His-MinE | Department of Cellular and Molecular Biophysics, MPI of Biochemistry, Prof. Schwille | plasmid encoding His-MinE | |
pET28a-His-EGFP-MinD | Department of Cellular and Molecular Biophysics, MPI of Biochemistry, Prof. Schwille | plasmid encoding His-EGFP-MinD | |
pET28a-His-mRuby3-MinD | Department of Cellular and Molecular Biophysics, MPI of Biochemistry, Prof. Schwille | plasmid encoding His-mRuby3-MinD | |
pET28a-His- MinC | Department of Cellular and Molecular Biophysics, MPI of Biochemistry, Prof. Schwille | plasmid encoding His-MinC |